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フライ・バイ・ワイヤ（FBW ）は、航空機の従来の手動操縦装置を電子インターフェースに置き換えるシステムです。操縦装置の動きは電子信号に変換され、飛行制御コンピュータが各操縦翼面のアクチュエータをどのように動かして指示された応答を実現するかを決定します。実装には、機械式の飛行制御バックアップシステムを使用するものと、完全に電子式のものがあります。[ 1 ]
改良された完全フライバイワイヤシステムは、パイロットの操縦入力を望ましい結果として解釈し、その結果を達成するために必要な操縦翼面の位置を計算します。これにより、閉じたフィードバックループを使用して、さまざまな状況で方向舵、昇降舵、補助翼、フラップ、およびエンジン制御のさまざまな組み合わせが実現されます。パイロットは、結果に影響を与えるすべての制御出力を完全に認識しているわけではなく、航空機が期待どおりに反応していることだけを認識している場合があります。フライバイワイヤコンピュータは、パイロットの関与なしに航空機を安定させ、飛行特性を調整し、パイロットが航空機の安全な性能範囲外で操作することを防ぐように機能します。[ 2 ] [ 3 ]
機械式および油圧機械式の飛行制御システムは比較的重く、滑車、クランク、張力ケーブル、油圧パイプなどのシステムを使用して、飛行制御ケーブルを機体全体に慎重に配線する必要があります。どちらのシステムも、故障に対処するために冗長なバックアップが必要になることが多く、重量が増加します。どちらのシステムも、変化する空力条件を補償する能力が限られています。失速、スピン、パイロット誘発振動(PIO)などの危険な特性は、制御システム自体よりも主に機体の安定性と構造に依存し、パイロットの操作に依存します。[ 4 ]
「フライ・バイ・ワイヤ」という用語は、純粋に電気信号による制御システムを意味します。これは、オペレーターと最終的な制御アクチュエータまたは表面の間にコンピュータシステムが介在する、コンピュータ構成制御の一般的な意味で使用されます。これにより、制御パラメータに従ってパイロットの手動入力が変更されます。[ 2 ]
フライバイワイヤ航空機の操縦には、サイドスティックまたは従来の飛行制御ヨークを使用できます。 [ 5 ]
フライ・バイ・ワイヤ航空機は、従来型の制御システムを備えた同様の設計よりも軽量化できる。これは、システムコンポーネントの総重量が軽いことと、航空機の自然な安定性を緩和できること（輸送機の場合はわずかに、機動性の高い戦闘機の場合はより大きく）によるものであり、その結果、航空機構造の一部である安定面を小さくすることができる。これには、胴体の後部（通常）にある垂直尾翼と水平尾翼（フィンとテールプレーン）が含まれる。これらの構造を小さくできれば、機体重量が軽減される。フライ・バイ・ワイヤ制御の利点は、最初に軍事で活用され、次に民間航空市場で活用された。エアバスの旅客機シリーズは、A320シリーズから完全な権限を持つフライ・バイ・ワイヤ制御を採用した（ A320飛行制御を参照。ただし、A310航空機には限定的なフライ・バイ・ワイヤ機能があった）。[ 6 ]ボーイングは、777以降の設計でこれに続いた。
パイロットは操縦桿やサイドスティックを操作して、機体を上向きに傾けたり、片側に傾けたりするなど、特定の動作を航空機に実行させるよう飛行制御コンピュータに指示します。飛行制御コンピュータは、その動作を実行するためにどの操縦翼面の動きが必要かを計算し、各操縦翼面の電子コントローラにそのコマンドを発行します。[ 1 ]各操縦翼面のコントローラはこれらのコマンドを受け取り、飛行制御コンピュータが指示した位置に移動するまで操縦翼面に取り付けられたアクチュエータを動かします。コントローラは、 LVDTなどのセンサーで飛行制御翼面の位置を測定します。[ 7 ]
フライ・バイ・ワイヤ制御システムにより、航空機のコンピュータはパイロットの入力なしにタスクを実行できます。自動安定化システムはこのように動作します。ジャイロスコープや加速度計などのセンサーが航空機に搭載され、ピッチ、ロール、ヨー軸の回転を感知します。あらゆる動き（例えば、水平飛行からのずれ）はコンピュータに信号を送り、コンピュータは制御アクチュエータを自動的に動かして航空機を安定させることができます。[ 3 ]
従来の機械式または油圧式制御システムは通常徐々に故障するが、すべての飛行制御コンピュータが失われると、航空機は即座に制御不能になる。このため、ほとんどのフライ・バイ・ワイヤ・システムには、冗長コンピュータ（トリプレックス、クワッドプレックスなど）、何らかの機械式または油圧式バックアップ、あるいはその両方の組み合わせが組み込まれている。機械式バックアップを備えた「混合」制御システムは、ラダーの仰角を直接パイロットにフィードバックするため、閉ループ（フィードバック）システムは意味をなさない。[ 1 ]
航空機システムは、1つまたは2つのチャネルが故障した場合に信号が失われるのを防ぐために、4重化（4つの独立したチャネル）されている場合があります。フライ・バイ・ワイヤ制御を備えた高性能航空機（CCVまたは制御構成機とも呼ばれる）は、特定の飛行領域で意図的に低い、あるいは負の安定性を持つように設計されている場合があり、高速応答するCCV制御によって、自然な安定性の欠如を電子的に安定化することができます。[ 3 ]
フライバイワイヤシステムの飛行前安全チェックは、多くの場合、内蔵テスト装置（BITE）を使用して行われます。多くの制御動作ステップを自動的に実行できるため、パイロットや地上クルーの作業負荷が軽減され、飛行チェックが迅速化されます。[ 8 ]
パナビア・トーネードなどの一部の航空機は、電力供給が途絶えた際の限定的な飛行制御機能のために、非常に基本的な油圧機械式バックアップシステムを保持しています。トーネードの場合、これにより、ピッチ軸とロール軸の動きに関してのみ、スタビレーターの基本的な制御が可能になります。 [ 9 ]
サーボ電気式操縦翼面は、1930年代にソ連のツポレフANT-20で初めて試験された。[ 10 ]長い機械式および油圧式接続部は、ワイヤーと電気サーボに置き換えられた。
1934年、カール・オットー・アルトヴァーターは、航空機が地上に近づくとフレアを起こす自動電子システムに関する特許を出願した。 [ 11 ] 1941年、シーメンスのエンジニアであった彼は、ハインケルHe 111用の初のフライ・バイ・ワイヤ・システムを開発・試験した。このシステムでは、航空機は電子パルスによって完全に制御されていた。[ 12 ]
フライ・バイ・ワイヤ飛行制御システムを備えて設計され、飛行した最初の非実験機はアブロ・カナダ CF-105 アローでした（1958年） 。[ 13 ] [ 14 ]同年後半に飛行したノースアメリカン A-5 ビジランテは、フライ・バイ・ワイヤ システムを備えて運用に就いた最初の航空機となりました。このシステムにはソリッドステート コンポーネントとシステムの冗長性も含まれており、コンピュータ化されたナビゲーションと自動捜索追跡レーダーとの統合を前提として設計され、データ アップリンクとダウンリンクを備えた地上管制から飛行でき、パイロットに人工的な感覚（フィードバック）を提供しました。[ 14 ]
アメリカ空軍が運用した最初の電子フライバイワイヤ試験機はボーイングB-47Eストラトジェット（シリアル番号53-2280）であった[ 15 ] 。
機械式または油圧式のバックアップのない、最初の純粋な電子フライ・バイ・ワイヤ航空機は、1968年に初飛行したアポロ月面着陸訓練機（LLTV）でした。 [ 16 ]これに先立ち、1964年には機械式バックアップのないフライ・バイ・ワイヤ飛行を先駆けた月面着陸研究機（LLRV）がありました。 [ 17 ]制御は、3つのアナログ冗長チャンネルを備えたデジタルコンピュータを介して行われました。ソ連では、スホーイT-4も飛行しました。ほぼ同時期に、英国では、英国王立航空研究所で、英国ホーカーハンター戦闘機の練習機型が、右席パイロット用のフライ・バイ・ワイヤ飛行制御で改造されました。 [ 18 ]
イギリスでは、1960年代前半から中頃にかけて、2人乗りのアブロ707Cがフェアリーシステムと機械式バックアップシステムを搭載して飛行した[ 19 ]。機体の飛行時間が尽きたため、このプログラムは中止された[ 18 ] 。
1972年、機械的なバックアップのないデジタルフライバイワイヤ固定翼機として初めて飛行したのは、アメリカのNASAが試験機として電子的に改造したF-8クルセイダーでした[ 20 ] 。F-8はアポロの誘導、航法、制御ハードウェアを使用していました[ 21 ]。
エアバスA320は、デジタルフライバイワイヤ制御を搭載した初の量産型旅客機として1988年に就航しました。2024年6月現在、派生型を含め11,000機を超えるA320ファミリー機が世界中で運用されており、最も売れている商用ジェット機の1つとなっています。[ 22 ] [ 23 ]
ボーイングは1994年に777にフライ・バイ・ワイヤ飛行制御を採用し、従来のケーブルとプーリーシステムから脱却した。FBWは航空機の飛行制御を監視するだけでなく、「エンベロープ保護」機能も提供し、偶発的な操作ミス、失速、または航空機への過度の構造的ストレスを回避するためにシステムが介入することを保証した。777はARINC 629バスを使用して、プライマリーフライトコンピュータ（PFC）とアクチュエータ制御電子ユニット（ACE）を接続した。各PFCには、 Motorola 68040、Intel 80486、およびAMD 29050を含む3つの32ビットマイクロプロセッサが搭載されており、すべてAdaプログラミング言語でプログラムされていた。[ 24 ]
フライ・バイ・ワイヤ飛行制御システムは、油圧式または電気機械式の飛行制御システムの機械回路の複雑さ、脆弱性、重量を排除し、それらをすべて電子回路に置き換えています。コックピット内の制御機構は信号変換器を操作し、信号変換器が適切なコマンドを生成します。これらのコマンドは、アナログ式または（より現代的な）デジタル式の電子制御装置によって処理されます。航空機や宇宙船の自動操縦装置も、現在では電子制御装置の一部となっています。
油圧回路は、機械式サーボバルブが電子コントローラによって操作される電気制御式サーボバルブに置き換えられている点を除いて同様です。これは、アナログ式フライバイワイヤ飛行制御システムの最も単純で初期の構成です。この構成では、飛行制御システムは「感覚」をシミュレートする必要があります。電子コントローラは、手動操縦装置に適切な「感覚」力を与える電気デバイスを制御します。これは、最初の量産型フライバイワイヤ旅客機であるコンコルドで使用されました。 [ a ]
デジタルフライバイワイヤ飛行制御システムは、アナログシステムから拡張することができます。デジタル信号処理は、複数のセンサー（高度計やピトー管など）からの入力を同時に受信および解釈し、リアルタイムで制御を調整できます。コンピュータは、パイロットの操縦装置と航空機センサーからの位置と力の入力を感知します。次に、航空機の運動方程式に関連する微分方程式を解いて、パイロットの意図を実行するための飛行制御への適切なコマンド信号を決定します。[ 26 ]
デジタルコンピュータのプログラミングにより、飛行エンベロープ保護が可能になります。これらの保護は、航空機の操縦特性に合わせて調整され、航空機の空力および構造上の制限内に収まるようにします。たとえば、飛行エンベロープ保護モードのコンピュータは、失速やスピンを防ぐ、対気速度や航空機にかかるGフォースを制限するなど、航空機の飛行制御エンベロープのプリセットされた制限をパイロットが超えないようにすることで、航空機が危険な操縦をされることを防ごうとします。パイロットによる振動を避けるために、飛行制御入力を安定させるソフトウェアも組み込むことができます。[ 27 ]
飛行制御コンピュータが環境を継続的にフィードバックするため、パイロットの作業負荷を軽減できます。[ 27 ]これにより、軍用機の安定性も緩和されます。このような航空機の主な利点は、戦闘飛行や訓練飛行中の機動性の向上と、失速、スピン、その他の望ましくない挙動がコンピュータによって自動的に防止されるため、いわゆる「気楽な操縦」が可能になることです。デジタル飛行制御システム（DFCS）により、ロッキードF-117ナイトホークやノースロップ・グラマンB-2スピリット全翼機などの本質的に不安定な戦闘機が、実用的かつ安全な方法で飛行できるようになります。[ 26 ]
米国連邦航空局（FAA）は、 RTCA / DO-178C「航空機システムおよび機器認証におけるソフトウェアの考慮事項」を航空ソフトウェアの認証基準として採用しました。航空法則やコンピュータオペレーティングシステムの適用を含むデジタルフライバイワイヤシステムの安全上重要なコンポーネントは、航空機のクラスに応じてDO-178CレベルAまたはBの認証を受ける必要があり、これは潜在的な壊滅的な故障を防止するために適用されます。[ 28 ]
しかしながら、コンピュータ化されたデジタルフライバイワイヤシステムにとって最大の懸念事項は信頼性であり、アナログ電子制御システムよりもさらに重要です。これは、ソフトウェアを実行するデジタルコンピュータが、パイロットと航空機の操縦翼面との間の唯一の制御経路となることが多いためです。コンピュータソフトウェアが何らかの理由でクラッシュした場合、パイロットは航空機を制御できなくなる可能性があります。そのため、事実上すべてのフライバイワイヤ飛行制御システムは、コンピュータと電子機器において三重または四重の冗長性を備えています。これらは、並列に動作する3つまたは4つの飛行制御コンピュータと、それらを各操縦翼面に接続する3つまたは4つの独立したデータバスを備えています。[ 29 ]
複数の冗長な飛行制御コンピュータは、互いの出力を継続的に監視します。ソフトウェアやハードウェアの障害、入力データの不備など、何らかの理由でいずれかのコンピュータが異常な結果を出力し始めた場合、統合システムは、飛行制御の適切な動作を決定する際に、そのコンピュータの結果を除外するように設計されています。システムの詳細によっては、異常な飛行制御コンピュータを再起動したり、入力が一致に戻った場合にその入力を再組み込んだりする可能性があります。複数の障害に対処するための複雑なロジックが存在し、システムがより単純なバックアップモードに戻るよう促す場合があります。[ 26 ] [ 27 ]
さらに、初期のデジタル・フライ・バイ・ワイヤ航空機のほとんどには、アナログ式の電気、機械、または油圧式のバックアップ飛行制御システムも搭載されていました。スペースシャトルには、主要な飛行制御ソフトウェアを実行する冗長な4台のデジタルコンピュータに加えて、別々に開発された機能制限付きのソフトウェア飛行制御システムを実行する5台目のバックアップコンピュータがありました。これは、他の4台のコンピュータすべてに障害が発生した場合に、制御を引き継ぐように命令できるものでした。このバックアップシステムは、他の4台のコンピュータでは気づかれなかった汎用飛行ソフトウェアの障害によって、飛行制御システム全体が故障するリスクを軽減する役割を果たしました。[ 1 ] [ 26 ]
旅客機の場合、飛行制御の冗長性は安全性を向上させますが、従来の制御よりも物理的に軽量でメンテナンスの要求が少ないフライ・バイ・ワイヤ制御システムは、所有コストと機内経済性の両面で経済性を向上させます。ピッチ軸の緩和安定性が限られている特定の設計、たとえばボーイング777では、飛行制御システムにより、従来の安定した設計よりも空力的に効率的な迎角で航空機を飛行させることができます。現代の旅客機には、FBWが飛行制御面を制御するのと同様の方法で、エンジン、空気取り入れ口、燃料貯蔵および分配システムを制御するコンピュータ化されたフルオーソリティデジタルエンジン制御システム（FADEC）が一般的に搭載されています。これにより、可能な限り最も効率的な使用のためにエンジン出力を継続的に変化させることができます。[ 30 ]
第2世代のエンブラエルE-ジェットファミリーは、フライバイワイヤシステムにより第1世代よりも1.5%効率が向上し、 E190/195型機の水平尾翼の面積 を280平方フィートから250 平方フィートに縮小することができました。[ 31 ]
エアバスとボーイングは、商用航空機にフライ・バイ・ワイヤ・システムを実装するアプローチが異なっている。エアバスA320以降、エアバスの飛行包絡線制御システムは、通常法則で飛行しているときは常に最終的な飛行制御を保持し、パイロットが代替法則で飛行することを選択しない限り、航空機の性能制限に違反することを許可しない。[ 32 ]この戦略は、その後のエアバス旅客機にも引き継がれている。[ 33 ] [ 34 ]ただし、冗長コンピュータの複数故障の場合、A320にはピッチトリムと方向舵の機械式バックアップシステムがあり、エアバスA340には純粋に電気式（電子式ではない）の方向舵バックアップ制御システムがあり、A380以降は、すべての飛行制御システムに「3軸バックアップ制御モジュール」（BCM）を使用して純粋に電気式のバックアップシステムがある。[ 35 ]
ボーイング777などのボーイング社製旅客機では、パイロットがコンピューター制御の飛行制御システムを完全にオーバーライドすることができ、通常の飛行制御範囲外での飛行が可能となる。
FADEC （フルオーソリティデジタルエンジン制御）エンジンの登場により、飛行制御システムとエンジンのオートスロットルを完全に統合することが可能になりました。現代の軍用機では、自動安定化、航法、レーダー、兵器システムなどの他のシステムもすべて飛行制御システムと統合されています。FADECにより、エンジンの誤作動、機体の損傷、パイロットの過重な作業負荷を心配することなく、航空機から最大限の性能を引き出すことができます。[ 41 ]
民間航空分野では、統合により飛行の安全性と経済性が向上します。エアバスのフライ・バイ・ワイヤ機は、飛行包絡線保護により、低速失速や過負荷などの危険な状況から保護されています。その結果、このような状況では、飛行制御システムがパイロットの介入なしにエンジンの推力を増加させるよう指示します。エコノミークルーズモードでは、飛行制御システムがスロットルと燃料タンクの選択を正確に調整します。FADECは、エンジンの推力の不均衡による横方向の飛行を補償するために必要な方向舵の抗力を低減します。A330/A340ファミリーでは、巡航飛行中に航空機の重心を最適化するために、メイン（翼と胴体中央部）タンクと水平尾翼の燃料タンクの間で燃料が移送されます。燃料管理制御は、エレベーターの抗力を発生させる空力トリムではなく、燃料重量によって航空機の重心を正確にトリムします。
フライバイオプティクスは、データ転送速度が高く、電磁干渉に対する耐性があり、軽量であるため、フライバイワイヤの代わりに使用されることがあります。ほとんどの場合、ケーブルは電気ケーブルから光ファイバーケーブルに変更されるだけです。光ファイバーを使用しているため、「フライバイライト」と呼ばれることもあります。[ 42 ]ソフトウェアによって生成され、コントローラによって解釈されるデータは変わりません。フライバイライトは、より一般的なフライバイワイヤ制御システムと比較して、センサーへの電磁妨害を低減する効果があります。川崎P-1は、このような飛行制御システムを搭載した世界初の量産航空機です。[ 43 ]
フライバイワイヤ飛行制御システムから機械式伝達回路を排除した今、次のステップは、かさばって重い油圧回路を電気回路に置き換えることです。この電気回路は、デジタル飛行制御コンピュータによって制御される電気式または独立型の電気油圧アクチュエータに電力を供給します。パワーバイワイヤのコンポーネントはフライバイワイヤのコンポーネントと完全に相補的な関係にあるため、デジタルフライバイワイヤのすべての利点が維持されます。
最大の利点は、軽量化、冗長電源回路の可能性、航空機の飛行制御システムとアビオニクスシステム間のより緊密な統合です。油圧がないため、メンテナンスコストが大幅に削減されます。このシステムは、ロッキード・マーティンF-35ライトニングIIとエアバスA380のバックアップ飛行制御に使用されています。ボーイング787とエアバスA350にも、油圧が完全に失われた場合でも動作し続ける電動バックアップ飛行制御が組み込まれています。[ 44 ]
配線は航空機の重量をかなり増加させるため、研究者たちはフライ・バイ・ワイヤレス方式の導入を検討している。フライ・バイ・ワイヤレスシステムはフライ・バイ・ワイヤシステムと非常によく似ているが、物理層に有線プロトコルを使用する代わりに無線プロトコルが採用されている。
重量の軽減に加えて、ワイヤレスソリューションを導入することで、航空機のライフサイクル全体にわたってコストを削減できる可能性があります。たとえば、配線やコネクタに関連する多くの主要な故障箇所がなくなるため、配線やコネクタのトラブルシューティングに費やす時間が削減されます。さらに、配線設備の設計に費やす時間が減り、航空機の設計変更の管理が容易になるなど、エンジニアリングコストが削減される可能性があります。[ 45 ]
インテリジェント飛行制御システム（IFCS）と呼ばれる新しい飛行制御システムは、最新のデジタルフライバイワイヤ飛行制御システムの拡張です。その目的は、飛行中の航空機の損傷や故障をインテリジェントに補償することであり、油圧系統の喪失、方向舵の喪失、補助翼の喪失、エンジンの喪失などの重大な故障を補償するために、エンジンの推力やその他のアビオニクスを自動的に使用します。セスナの小型航空機の訓練を受けたパイロットが、大型ジェット機の経験がないにもかかわらず、損傷の激しいフルサイズコンセプトジェットを飛行シミュレータで着陸させることに成功したというデモンストレーションがいくつか行われました。この開発は、NASAドライデン飛行研究センターが主導しています。[ 46 ]機能強化は、既存の完全コンピュータ化されたデジタルフライバイワイヤ飛行制御システムのソフトウェアアップグレードがほとんどであると報告されています。ダッソー・ファルコン7Xとエンブラエル・レガシー500ビジネスジェットには、推力レベルと操縦入力を調整することでエンジン停止シナリオを部分的に補償できるフライトコンピューターが搭載されているが、それでもパイロットは適切に対応する必要がある。[ 47 ]